(57)【要約】【課題】実効的な書き込み電流の低減及び書き込み時間の短縮を実現する。【解決手段】本発明の例に係る磁気抵抗効果素子のデータ書き込み方法は、磁化方向が不変な第１の磁性層と、磁化方向が可変な第２の磁性層と、第１の磁性層と第２の磁性層の間に設けられたトンネルバリア層とを有する磁気抵抗効果素子のデータの書き込み方法であって、パルス形状の書き込み電流Ｉｗを磁気抵抗効果素子に流して、第１の磁性層の磁化方向と第２の磁性層の磁化方向との関係を変化させることを具備し、書き込み電流Ｉｗのパルス幅ＷＰは、その電流の立ち上がりの開始から第１の時間ｔｏｓまでの第１の期間Ｗ１と、第１の期間Ｗ１に続く第２の期間Ｗ２とを含み、書き込み電流Ｉｗは、第２の期間Ｗ２内に出力される電流値ｉ１と、第１の期間Ｗ１内に出力され電流値ｉ１より大きい電流値ｉ２とを含んでいる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が不変な第１の磁性層と、磁化方向が可変な第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の間に設けられたトンネルバリア層とを有する磁気抵抗効果素子のデータの書き込み方法であって、
書き込み電流はパルス形状であって、その電流値はパルス幅内に第１の電流値と前記第１の電流値より大きい第２の電流値とを含み、
その電流の立ち上がりの開始から第１の時間までの第１の期間内に、前記第２の電流値まで前記第１の電流値を越えてオーバーシュートするように、前記書き込み電流を前記磁気抵抗効果素子に流して、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向との関係を変化させる、
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子のデータ書き込み方法。
【請求項２】
前記第２の電流値は前記第１の期間内において一定に出力され、前記第１の電流値は前記第１の時間から前記書き込み電流の立ち下がりの終了までの第２の期間内に一定に出力される、
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子のデータ書き込み方法。
【請求項３】
前記第１の電流値は、前記磁気抵抗効果素子の反転しきい値電流の値以上である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子のデータ書き込み方法。
【請求項４】
前記書き込み電流は、第１の定電流源と第２の定電流源を備える書き込み電流発生回路によって生成され、
前記第２の電流値は、前記第１の定電流源の出力と前記第２の定電流源の出力との和によって生成され、
前記第１の電流値は、前記第１の定電流源の出力によって生成される、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の磁気抵抗効果素子のデータ書き込み方法。
【請求項５】
前記第２の電流値と前記第１の電流値との比率は、１．２以上、１．８以下であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子のデータ書き込み方法。
【請求項６】
磁化方向が不変な第１の磁性層と、磁化方向が可変な第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の間に設けられたトンネルバリア層とを有する磁気抵抗効果素子をそれぞれ備える複数のメモリセルと、
前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向との関係を変化させる書き込み電流を生成する書き込み電流発生回路を備え、前記書き込み電流を前記磁気抵抗効果素子の一端から他端又は、他端から一端に流す書き込み回路と、
を具備し、
前記書き込み回路は、第１の電流値と前記第１の電流値より大きい第２の電流値とをパルス幅内に含むパルス形状の書き込み電流を生成し、
前記書き込み電流の立ち上がりの開始から第１の時間までの第１の期間内に、前記第２の電流値まで前記第１の電流値を越えてオーバーシュートするように前記書き込み電流を流す、
ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項７】
前記第２の電流値は前記第１の期間内に一定に出力され、前記第１の電流値は前記第１の時間から前記書き込み電流の立ち下がりの終了までの第２の期間内に一定に出力される、
ことを特徴とする請求項６に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項８】
前記書き込み電流発生回路は、
第１の電流を出力する第１の定電流源と、
第２の電流を出力する第２の定電流源と、
を有し、
前記第１の電流値は、前記第１の電流によって生成され、
前記第２の電流値は、前記第１の電流と前記第２の電流との和によって生成される、
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項９】
選択されたメモリセルが備える磁気抵抗効果素子からデータを読み出すための読み出し電流を生成する読み出し回路を、さらに具備し、
前記読み出し電流は、前記書き込み電流とは異なってオーバーシュートしないパルス形状の電流であって、前記第１の電流値よりも小さい電流値を有する、
ことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１０】
前記第１の電流値は、前記複数のメモリセルがそれぞれ備える磁気抵抗効果素子の反転しきい値電流の分布のうちで、最小の反転しきい値電流の値以上である、
ことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１１】
前記第２の電流値は、前記複数のメモリセルがそれぞれ備える磁気抵抗効果素子の反転しきい値電流の分布のうちで、最大の反転しきい値電流の値以上である、
ことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１２】
前記第２の電流値と前記第１の電流値との比率は、１．２以上、１．８以下であることを特徴とする請求項６乃至１１のいずれか１項に記載の磁気ランダムランダムアクセスメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子のデータ書き込み方法及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、様々のタイプの固体磁気メモリが提案されている。近年では、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant MagnetoResistive）効果を示す磁気抵抗効果素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）が提案されている。その中でも、特に、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magneto Resistive）効果を示す強磁性トンネル接合を用いた磁気ランダムアクセスメモリが注目されている。
【０００３】
強磁性トンネル接合のＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子の基本構造は、第１の強磁性層／絶縁層／第２の強磁性層の３層の膜で構成されている。ＭＴＪ素子からのデータ読み出し時には、電子が磁化により絶縁層をトンネルし、電流が流れる。この場合、ＭＴＪ素子の接合抵抗値は、第１及び第２の強磁性層の磁化の相対角の余弦に応じて変化する。したがって、接合抵抗値は、例えば、第１及び第２の強磁性層の磁化が平行のときに極小値となり、反平行のときに極大値となる。これを、ＴＭＲ効果と呼ぶ。このＴＭＲ効果による抵抗値の変化は、室温において３００％を超える場合もある。
【０００４】
ＭＴＪ素子を磁気メモリに用いる場合、少なくとも１つの強磁性層を磁化不変層（基準層、参照層、固定層とも呼ばれる）とみなして、その磁化方向を固定し、他の強磁性層を磁化自由層（磁気記録層、記録層、可変層とも呼ばれる）とする。このようなＭＴＪ素子において、磁化不変層と磁化自由層との磁化方向が平行状態であるかは反平行状態であるかに対し、２進情報の“０”、“１”を対応づけることで、ＭＴＪ素子に情報（データ）が記憶される。
【０００５】
ＭＴＪ素子に対するデータの書き込みの１つの方法としては、メモリセルとは別途に設けられた書き込み配線に電流を流し、それによって発生する磁場により磁化自由層の磁化を反転させる方式がある。このような書き込み方式は、電流磁場書き込み方式と呼ばれる。電流磁場書き込み方式とは異なる書き込み方式として、スピン注入磁化反転方式がある。スピン注入磁化反転方式は、素子に直接電流を流すことにより、磁化不変層から注入されるスピントルクにより磁化自由層の磁化を反転させる。
【０００６】
データの読み出しは、強磁性トンネル接合に電流を流し、ＴＭＲ効果による抵抗変化を検出することで行われる。
【０００７】
磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルアレイは、ＭＴＪ素子を備えるメモリセルを多数配置することで構成される。そのメモリセルの構成は、任意のＭＴＪ素子を選択できるように、例えば、ＤＲＡＭと同様に、各メモリセル内に選択トランジスタが設けられている。さらに、周辺回路がメモリセルアレイと同一のチップ内に組み込まれている。
【０００８】
記憶容量の大きいメモリを実現するには、素子を微細化し、チップ内におけるセル占有度を上昇させることが必要となる。スピン注入磁化反転方式は、電流磁場書き込み方式に比べて、素子を微細化できることを特徴としており、大記憶容量の磁気メモリを実現するのに適した書込み方式として期待されている。
【０００９】
しかしながら、スピン注入磁化反転方式では、書き込み電流をＭＴＪ素子に流してから磁化反転が開始されるまでの期間が長い。また、複数のＭＴＪ素子を用いて構成されるＭＲＡＭにおいては、ＭＴＪ素子の素子特性に大きなばらつきを含んでいることが問題として残されている（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】H. Tomita et al., Appl. Phys. Express 1 (2008) 061303
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、実効的な書き込み電流の低減及び書き込み時間の短縮が可能なスピン注入磁化反転による書き込み技術を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の例に係る磁気メモリのデータ書き込み方法は、磁化方向が不変な第１の磁性層と、磁化方向が可変な第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の間に設けられたトンネルバリア層とを有する磁気抵抗効果素子のデータの書き込み方法であって、書き込み電流はパルス形状であって、その電流値はパルス幅内に第１の電流値と前記第１の電流値より大きい第２の電流値とを含み、その電流の立ち上がりの開始から第１の時間までの第１の期間内に、前記第２の電流値まで前記第１の電流値を越えてオーバーシュートするように、前記書き込み電流を前記磁気抵抗効果素子に流して、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向との関係を変化させる、ことを備える。
【００１２】
本発明の例に係る磁気ランダムアクセスメモリは、磁化方向が不変な第１の磁性層と、磁化方向が可変な第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の間に設けられたトンネルバリア層とを有する磁気抵抗効果素子をそれぞれ備える複数のメモリセルと、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向との関係を変化させる書き込み電流を生成する書き込み電流発生回路を備え、前記書き込み電流を前記磁気抵抗効果素子の一端から他端又は、他端から一端に流す書き込み回路と、を具備し、前記書き込み回路は、第１の電流値と前記第１の電流値より大きい第２の電流値とをパルス幅内に含むパルス形状の書き込み電流を生成し、前記書き込み電流の立ち上がりの開始から第１の時間までの第１の期間内に、前記第２の電流値まで前記第１の電流値を越えてオーバーシュートするように前記書き込み電流を流す、ことを備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、実効的な書き込み電流の低減及び書き込み時間の短縮が可能なスピン注入磁化反転による書き込みを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための形態について詳細に説明する。
【００１５】
［概要］
本発明の実施形態は、磁気抵抗効果素子に対するデータの書き込み方法について、述べる。  
本実施形態は、電子がスピン偏極した書き込み電流を磁気抵抗効果素子に流して、磁気抵抗効果素子を構成する２つの磁性層の相対的な磁化方向を変化させる、いわゆる、スピン注入磁化反転方式のデータ書き込み方法に関する。
【００１６】
本実施形態においては、データ書き込みに用いられる書き込み電流が、電流の立ち上がりから所定の期間までの間にオーバーシュートしたパルス形状を有していることを特徴とする。  
磁気抵抗効果素子のデータ書き込みにおける磁化の反転特性は、書き込み電流の注入の開始の初期段階に与えられる電流の大きさに対しての依存性が、大きい。
【００１７】
それゆえ、本実施形態のようなオーバーシュートしたパルス形状の書き込み電流を用いることで、磁気抵抗効果素子の書き込み電流の実効値の低減及び書き込み時間の短縮を図ることができる。
【００１８】
また、本実施形態においては、そのデータ書き込み方法を適用した磁気メモリ（例えば、磁気ランダムアクセスメモリ）についても述べる。
【００１９】
以下、本発明の実施形態の構成及び検証結果について、より具体的に説明する。
【００２０】
［実施形態］
（１）  基本例  
図１乃至図３を参照して、本発明の実施形態の基本例について、説明する。
【００２１】
まず、図１及び図２を用いて、磁気抵抗効果素子の構造について説明する。  
図１及び図２は、磁気抵抗効果素子１の断面構造を示している。図１及び図２に示される磁気抵抗効果素子１は、例えば、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子１である。
【００２２】
図１に示される磁気抵抗効果素子１は、第１の磁性層（例えば、強磁性層又は積層フェリ磁性層）１０Ａと、第２の磁性層（例えば、強磁性層又は積層フェリ磁性層）１４Ａと、第１の磁性層１０Ａと第２の磁性層１４Ａとの間に挟まれたトンネルバリア層１２Ａとを有する積層構造である。図１に示されるＭＴＪ素子１は、第１及び第２の磁性層１０Ａ，１４Ａの磁化方向が膜面に対して平行方向を向く、面内磁化型の磁気抵抗効果素子である。
【００２３】
面内磁化型の磁気抵抗効果素子１において、第１及び第２の磁性層１０Ｂ，１４Ｂを構成する材料には、次のような強磁性材料が用いられる。例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか１つを含む単層膜、それらの積層膜、それらの積層フェリ磁性層、又はそれらの合金があげられる。また、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ２、ＲＸＭｎＯ３−Ｙ（Ｒ：希土類、Ｘ：Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ）などの酸化物、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂなどのホイスラー合金などを用いてもよい。  
また、面内磁化型の磁気抵抗効果素子１において、トンネルバリア層１２Ａの材料には、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｂｉ２Ｏ、ＭｇＦ２、ＳｒＴｉＯ２などが用いられる。
【００２４】
図２に示される磁気抵抗効果素子１は、図１に示される構造と同様に、第１の磁性層（例えば、強磁性層）１０Ｂと、第２の磁性層（例えば、強磁性層）１４Ｂと、第１の磁性層１０Ｂと第２の磁性層１４Ｂとの間に挟まれたトンネルバリア層１２Ｂとを有する積層構造である。但し、図２に示される磁気抵抗効果素子１は、第１及び第２の磁性層１０Ｂ，１４Ｂの磁化方向が膜面に対して垂直方向を向く、垂直磁化型のＭＴＪ素子である。
【００２５】
垂直磁化型の磁気抵抗効果素子１において、第１及び第２の磁性層１０Ｂ，１４Ｂを構成する材料は、例えば、不規則合金、規則合金、金属間化合物、人工格子及びフェリ磁性体のうちいずれか１つが用いられる。より具体的な例としては、以下のとおりである。  
不規則合金としては、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金など、Ｃｏを主成分とし、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｎｉのうち１つ以上の元素を含む合金があげられる。規則合金又は金属化合物としては、例えば、Ｆｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０などのように、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素とＰｔ、Ｐｄのうち１つ以上の元素を含む合金もしくは化合物であり、この合金もしくは金属間化合物の結晶構造がＬ１０型の合金があげられる。人工格子としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つの元素のみを含む金属あるいは１つ以上の元素を含む合金とＣｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕのうちいずれか１つの元素のみを含む金属あるいは１つ以上の元素を含む合金とが交互に積層された構造があげられる。また、フェリ磁性体としては、例えば、ＴｂＦｅ、ＤｙＴｂ、ＧｄＴｂＣｏなどのように、希土類金属と遷移金属との合金があげられる。  
また、垂直磁化型の磁気抵抗効果素子１において、トンネルバリア層１２Ｂの材料には、主に、酸化物、例えば、ＭｇＯやＡｌ２Ｏ３が用いられる。
【００２６】
尚、図１及び図２に示す例においては、トンネルバリア層を１層有するシングルジャンクション構造を一例として示しているが、トンネルバリア層を２層有するダブルジャンクション構造でもよい。又、図１に示される面内磁化型の磁気抵抗効果素子１の平面形状は形状磁気異方性を利用するため、例えば、正方形状、長方形状、楕円状、円状、六角形状、菱型状、平行四辺形状、十字型状、ビーンズ型（凹型）状などの形状を有する。
【００２７】
図１及び図２に示す磁気抵抗効果素子１を構成する第１及び第２の磁性層１０Ａ，１０Ｂ，１４Ａ，１４Ｂのうちの一方は、磁化方向が不変の磁化不変層であり、その他方は、磁化方向が可変の磁化自由層である。ここで、磁化不変層とは、書き込み電流を流す前後で磁化が不変の層を意味する。図１及び図２に示す例においては、第１の磁性層１０Ａ，１０Ｂが磁化不変層１０Ａ，１０Ｂとなり、第２の磁性層１４Ａ，１４Ｂが磁化自由層１４Ａ，１４Ｂとなっている。尚、磁化不変層１０Ａ，１０Ｂの磁化が、磁化自由層の磁化よりも大きいことが好ましい。このため、面内磁化型の磁気抵抗効果素子１は、磁化不変層１０Ａの磁化方向を交換結合によって固定するための交換バイアス層（反強磁性層）をさらに具備し、磁化不変層１０Ａがその交換バイアス層とトンネルバリア層１２Ａとによって挟み込まれた構造となってもよい。第１の磁性層１０Ａ，１０Ｂが磁化不変層である場合は、トップフリー型と呼ばれ、第２の磁性層１４Ａ，１４Ｂが磁化不変層である場合は、ボトムフリー型と呼ばれる。
【００２８】
磁気抵抗効果素子１は、２つの定常状態をとることができ、そのうちの１つを“０”データ、他の１つを“１”データに対応させることによって２値データを記憶する。２つの定常状態の１つは、磁化不変層１０Ａ，１０Ｂの磁化方向と磁化自由層１４Ａ，１４Ｂの磁化方向とが同じ方向を向く平行（Ｐ：Parallel）状態であり、他の１つは、磁化不変層層１０Ａ，１０Ｂの磁化方向と磁化自由層１４Ａ，１４Ｂの磁化方向とが逆の方向を向く反平行（ＡＰ：Anti Parallel）状態である。
【００２９】
磁気抵抗効果素子１は、電子がスピン偏極している電流を書き込み電流Ｉｗに用い、その電流Ｉｗを素子（トンネル接合）に流すことによって、磁気抵抗効果素子１の定常状態が変えられる。尚、スピン偏極した電子（以下、スピン偏極電子と呼ぶ）は、書き込み電流とは逆向きに流れる。  
書き込み電流Ｉｗが、磁化自由層１４Ａ，１４Ｂから磁化不変層１０Ａ，１０Ｂへ流された場合、スピン偏極電子は磁化不変層１０Ａ，１０Ｂから磁化自由層１４Ａ，１４Ｂへ注入され、磁化不変層１０Ａ，１０Ｂの磁化方向と磁化自由層１４Ａ，１４Ｂの磁化方向が、平行状態になる。  
これに対して、書き込み電流Ｉｗが、磁化不変層１０Ａ，１０Ｂから磁化自由層１４Ａ，１４Ｂへ流された場合、スピン偏極電子が磁化自由層１４Ａ，１４Ｂから磁化不変層１０Ａ，１０Ｂへ流れ、磁化不変層１０Ａ，１０Ｂと平行なスピンを持つスピン偏極電子は磁化不変層１０Ａ，１０Ｂ内を透過し、反平行のスピンを持つ電子は反射される。この結果として、磁化自由層１４Ａ，１４Ｂの磁化方向と磁化不変層１０Ａ，１０Ｂの磁化方向は、反平行状態になる。  
尚、ある１つの磁気抵抗効果素子に対して、磁化不変層及び磁化自由層の磁化方向の関係を平行（Ｐ）状態から反平行（ＡＰ）状態にする、又は、磁化不変層及び磁化自由層の磁化方向の関係を反平行（ＡＰ）状態から平行（Ｐ）状態にする、ために要する電流のことを、反転しきい値電流と呼ぶ。
【００３０】
図３は、本実施形態において、磁気抵抗効果素子に対するデータの書き込みに用いる書き込み電流の波形を示している。図３において、書き込み電流Ｉｗは、絶対値で示しいている。尚、書き込み電流の極性は、例えば、書き込み電流Ｉｗを磁化自由層１４Ａ，１４Ｂから磁化不変層１０Ａ，１０Ｂへ流す場合をプラスとしている。
【００３１】
図３に示すように、書き込み電流Ｉｗは、電流値（パルス）の立ち上がりの開始から所定の時間までの期間Ｗ１において、その電流値が、ある電流値までオーバーシュートしたパルス形状を有している。  
本実施形態においては、このようなオーバーシュートしたパルス形状の電流を、磁気抵抗効果素子１に流して、磁気抵抗効果素子１の磁化自由層１４Ａ，１４Ｂと磁化不変層１０Ａ，１０Ｂの磁化方向の関係を変え、磁気抵抗効果素子にデータを書き込むことを特徴としている。
【００３２】
図３に示すように、本実施形態で用いられる書き込み電流Ｉｗは、パルス幅ＷＰを有するパルス電流である。この書き込み電流Ｉｗは電流値として、第１の電流値ｉ１と、第１の電流値ｉ１より大きい第２の電流値ｉ２を、そのパルス幅ＷＰ内に含んでいる。
【００３３】
そして、書き込み電流Ｉｗは、パルス電流の立ち上がりが開始する時間（以下、立ち上がり開始時間と呼ぶ）ｔｒから所定の時間（第１の時間）ｔｏｓまでの第１の期間Ｗ１内において、書き込み電流Ｉｗは第１の電流値ｉ１よりも大きい第２の電流値ｉ２までオーバーシュートし、時間ｔｏｓから書き込み電流の立ち下がりが終了する時間（以下、立ち下がり終了時間と呼ぶ）ｔｆまでの第２の期間Ｗ２内において、書き込み電流Ｉｗは第１の電流値ｉ１を有している。
【００３４】
尚、本実施形態において、書き込み電流のパルス幅は立ち上がり開始時間ｔｒ立ち上がり終了時間ｔｆまでの期間（幅）と規定する。また、本実施形態で述べるオーバーシュートとは、ある電流値（ここでは、第１の電流値ｉ１）より大きい電流値が出力（生成）されることである。以下では、本実施形態において、磁気抵抗効果素子のデータの書き込みに用いる書き込み電流のことを、オーバーシュート電流とも呼ぶ。
【００３５】
本実施形態においては、電流値の立ち上がり開始時間ｔｒから時間ｔｏｓまでの期間Ｗ１内に電流値がオーバーシュートしているパルス形状を有する電流を書き込み電流Ｉｗとして、磁気抵抗効果素子１に流し、磁気抵抗効果素子１に対してデータを書き込む。
【００３６】
磁気抵抗効果素子の磁化方向の反転特性は、磁化の反転開始時に与えられている電流値に対する依存性が高く、磁化の反転開始以降の電流値に対しては依存性が低い。
【００３７】
つまり、本実施形態のように、書き込み動作の初動時に、書き込み電流Ｉｗの電流値をある値（ここでは、電流値ｉ１）以上にオーバーシュートさせ、大きい電流値を磁気抵抗素子に与えておくことで、初動時以降の期間（ここでは、期間Ｗ２）内の電流値を小さくしても、素子の動作特性の劣化が生じない。そのため、本実施形態では、書き込み電流Ｉｗの実効値を低減できる。
【００３８】
また、磁気抵抗効果素子の磁化方向の反転が開始する時間は電流値に対する依存性が高いため、書き込み電流のオーバーシュート時に与える電流値ｉ２を調整することで、磁気抵抗効果素子のデータの書き込み速度を向上できる。
【００３９】
したがって、本発明の実施形態によれば、データの書き込みに用いる実効的な書き込み電流を低減でき、それとともに、磁気抵抗効果素子の書き込み時間を短縮できる。
【００４０】
（２）  実施例  
以下、図４乃至図８を用いて、本発明の実施形態に係る磁気メモリの実施例について、説明する。
【００４１】
（ａ）  書き込み電流発生回路  
図４は、書き込み電流を生成する書き込み電流発生回路の回路構成の一例を示している。図４に示される書き込み電流発生回路２は、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子のデータ書き込みに用いられる書き込み電流（オーバーシュート電流）を生成する。但し、図４に示される回路の構成は一例であって、これに限定されるものではない。
【００４２】
図４に示す例の書き込み電流発生回路２は、２つの定電流源２１，２２と、複数のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２（本例では、２個）から構成されている。
【００４３】
第１の定電流源２１は、電流Ｉａを一定に出力し、第２の定電流源２２は、電流Ｉｂを一定に出力する。  
第１の定電流源２１の一端（出力側）は、第１のスイッチ素子ＳＷ１に接続され、第２の定電流源２２の一端（出力側）は、第２のスイッチ素子ＳＷ２に接続されている。第１及び第２の定電流源２１，２２の他端は、例えば、一定の電圧を出力する電源に接続されている。  
スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２は、例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）であって、図４中においては、ｐチャネルＭＯＳ（Metal-Oxide-Insulator）トランジスタが用いられている。  
スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２の動作は、それらの制御端子（ゲート）にそれぞれ入力される制御信号ｂＥＮＢＬ１，ｂＥＮＢＬ２によって、制御される。
【００４４】
書き込み電流発生回路２の出力端子は、スイッチ素子（例えば、ＦＥＴ）ＳＷ３を経由して、磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ素子）１に接続される。書き込み電流発生回路２は、書き込みデータに応じた向きの書き込み電流Ｉｗを磁気抵抗効果素子１に対して流す。
【００４５】
磁気抵抗効果素子１に対してデータを書き込む時には、スイッチ素子ＳＷ３がオンし、定電流源２１，２２を用いて生成された書き込み電流（オーバーシュート電流）Ｉｗが、磁気抵抗効果素子１の磁化自由層及び磁化不変層のうち、いずれか一方から他方へ、流される。書き込み電流Ｉｗは、磁気抵抗効果素子を通過して、接地端に吸収される。  
尚、図４に示す例では、磁気抵抗効果素子１の端子（例えば、磁化不変層側）ａから端子（例えば、磁化自由層側）ｂへ書き込み電流Ｉｗを流す場合の回路構成を図示している。磁気抵抗効果素子１の端子ｂから端子ａへ書き込み電流Ｉｗを流す場合は、磁気抵抗効果素子１と書き込み電流発生回路２との接続関係が図４とは反対になり、端子ｂがスイッチ素子ＳＷ３を経由して、書き込み電流発生回路２の出力端子に接続され、端子ａが接地される。
【００４６】
図５は、図４に示される書き込み電流発生回路２によって生成されるオーバーシュート電流Ｉｗのパルス波形を示している。書き込み電流としてのオーバーシュート電流Ｉｗは、書き込み電流発生回路２内の２つの定電流源２１，２２がそれぞれ出力する電流Ｉａ，Ｉｂによって、生成される。図５において、オーバーシュート電流（書き込み電流）Ｉｗは絶対値で示されている。
【００４７】
図５に示す例では、書き込み電流は、第１の電流値ｉ１と、オーバーシュート部分に対応している第２の電流値ｉ２とを含んでいる。尚、第１の電流値ｉ１は、書き込み動作の安定化のため、例えば、磁気抵抗効果素子に対する反転しきい値電流程度の電流値であることが好ましい。但し、それに限定されるものではなく、例えば、反転しきい値電流より小さくてもよいのは、もちろんである。
【００４８】
図５に示すように、パルス電流の立ち上がりの開始時間ｔｒから所定の時間ｔｏｓまでの第１の期間Ｗ１内において、オーバーシュート電流Ｉｗの電流値は、第１の電流値ｉ１より大きい第２の電流値ｉ２を示す。又、時間ｔｏｓからパルス電流の立ち下がりの終了時間ｔｆまでの第２の期間Ｗ２内において、オーバーシュート電流Ｉｗの電流値は、第１の電流値ｉ１を示している。
【００４９】
第２の電流値ｉ２は、例えば、第１の定電流源２１が一定に出力する電流Ｉａの電流値と第２の定電流源２２が一定に出力する電流Ｉｂの電流値との和によって、生成される。第１の電流値ｉ１は、例えば、第１の定電流源２１が一定に出力する電流Ｉａの電流値によって生成される。
【００５０】
このオーバーシュート電流の生成における書き込み電流発生回路２の動作について、図６を用いて、説明する。  
図６は、書き込み電流発生回路２の動作を制御する制御信号ｂＥＮＢＬ１，ｂＥＮＢＬ２のタイミングチャート（電圧波形）を示している。また、図６には、書き込み電流Ｉｗの電流波形も示している。
【００５１】
磁気抵抗効果素子１に対してデータを書き込む際に、はじめに、第３のスイッチ素子ＳＷ３が制御信号（図示せず）に基づいて、オンになる。それとほぼ同時に、時間ｔｒにおいて、２つの制御信号ｂＥＮＢＬ１，ｂＥＮＢＬ２が、“Ｈ（high）”レベルから“Ｌ（low）”レベルになる。これによって、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２としてのｐチャネルＭＯＳトランジスタは、それぞれオンになる。
【００５２】
これによって、２つの定電流源２１，２２から電流Ｉａ，Ｉｂが、スイッチ素子ＳＷ３を経由して、磁気抵抗素子に対してそれぞれ出力される。２つの電流Ｉａ，Ｉｂの和が磁気抵抗効果素子１を流れるため、書き込み電流Ｉｗの電流値は、２つの電流Ｉａ，Ｉｂの和に対応する電流値ｉ２になっている。この電流値ｉ２は、時間ｔｋから時間ｔｌの間において、一定になっている。
【００５３】
所定の時間ｔｌになると、制御信号ｂＥＮＢＬ２は“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルにされる。一方、制御信号ｂＥＮＢＬ１は“Ｌ”レベルが持続される。  
これによって、スイッチ素子ＳＷ２はオフし、スイッチ素子ＳＷ１はオンになり、定電流源２１が出力する電流Ｉａのみが、磁気抵抗効果素子１に対して供給される。このため、オーバーシュート電流Ｉｗの電流値は、電流値ｉ２から低下し、オーバーシュート電流Ｉｗの電流値は、時間ｔｏｓにおいて、電流値ｉ１になる。そして、第１の電流値ｉ１は、第２の期間Ｗ２内の時間ｔｏｓから時間ｔｍまで間において、一定になっている。
【００５４】
尚、第２の定電流源２２が出力する電流Ｉｂが、第１の電流値ｉ１に対応してもよいのはもちろんであり、第１のスイッチ素子ＳＷ１はオフになり、第２のスイッチ素子ＳＷ２のみがオンになってもよい。
【００５５】
磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込みが完了し、時間ｔｍになると、制御信号ｂＥＮＢＬ１が“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルになり、スイッチ素子ＳＷ１がオフになる。これと同時に、スイッチ素子ＳＷ３も、それに対する制御信号によりオフし、書き込み電流発生回路２は、磁気抵抗効果素子１から電気的に分離される。  
書き込み電流Ｉｗは立ち下がりを開始し、磁気抵抗効果素子１に流れるオーバーシュート電流の電流値は、電流値ｉ１から０になる。
【００５６】
以上のように、図４に示される書き込み電流発生回路２は、オーバーシュートしたパルス形状の書き込み電流Ｉｗを出力する。そのパルス幅ＷＰ内において、電流値がオーバーシュートする第１の期間Ｗ１において、第１の電流値ｉ１より大きい第２の電流値ｉ２が一定に出力され、第１の期間Ｗ１に続く第２の期間Ｗ２において、第１の電流値ｉ１が一定に出力される。  
このように、図４に示される書き込み電流発生回路２によって、書き込み電流のパルス幅ＷＰ内に、電流値がオーバーシュートした期間Ｗ１が形成され、図５に示されるオーバーシュートした形状を有する書き込み電流Ｉｗが、生成される。  
尚、定電流源２１，２２がそれぞれ出力する電流Ｉａ，Ｉｂと電流値ｉ１，ｉ２との関係において、２つの電流Ｉａ，Ｉｂの和が電流値ｉ２を示すのではなく、例えば、電流Ｉａが電流値ｉ１を示し、電流Ｉｂが電流値ｉ２を示すようにしてもよい。この場合、スイッチ素子ＳＷ３がオンされた後、書き込み電流の電流値がオーバーシュートする期間Ｗ１においては、スイッチ素子ＳＷ２のみがオンされて、電流値ｉ２を有する電流Ｉａのみが、磁気抵抗効果素子１に対して一定に出力される。そして、期間Ｗ２の間には、スイッチ素子ＳＷ１のみがオンされ、電流値ｉ１を有する電流Ｉｂのみが、磁気抵抗効果素子１に対して一定に出力される。
【００５７】
また、本実施形態においては、２つの定電流源２１，２２を用いて、２段階に電流値を変化させてオーバーシュート電流を生成したが、これに限定されない。例えば、３個以上の定電流源を用いて、電流値をオーバーシュートさせる第１の期間Ｗ１内において、電流値を３段階以上に変化させることによって、図３に示すパルス形状により近似したパルス形状のオーバーシュート電流を生成することも可能である。
【００５８】
（ｂ）  検証  
図７乃至図１０を参照して、本発明の実施形態に係わる磁気メモリにおいて、オーバーシュート電流を用いた書き込み動作の検証結果について、説明する。
【００５９】
図７（ａ）は、書き込み動作の検証に用いたパルス電流Ｊ１，Ｊ２，ＪＯＳのパルス波形を示している。図７（ａ）は、パルス電流の電流密度を絶対値で示している。  
図７（ｂ）は、図７（ａ）に示されたパルス電流Ｊ１，Ｊ２，ＪＯＳをそれぞれ与えた場合における磁気抵抗効果素子の磁化反転過程を、マイクロマグネチクスシミュレーションを用いて計算した演算結果を示している。尚、図７（ｂ）に示される磁化反転過程は、平行状態（Ｐ状態：１）から反平行状態（ＡＰ状態：−１）に変化する場合のシミュレーション結果である。
【００６０】
図７（ａ）に示す例において、３つのパルス電流Ｊ１，Ｊ２，ＪＯＳは、同じパルス幅を有している。パルス電流Ｊ１及びパルス電流Ｊ２は、矩形状のパルス電流である。パルス電流Ｊ１の電流密度は、１．５ＭＡ／ｃｍ２であり、パルス電流Ｊ２の電流密度は２．０ＭＡ／ｃｍ２である。また、パルス電流ＪＯＳは、書き込み電流として、本発明の実施形態で用いるオーバーシュート電流である。パルス電流ＪＯＳは、電流の立ち上がり時に電流密度が２．０ＭＡ／ｃｍ２までオーバーシュートし、その後、電流密度が１．５ＭＡ／ｃｍ２になる。
【００６１】
図７（ｂ）において、特性曲線Ｌ１はパルス電流Ｊ１のシミュレーション結果に対応し、特性曲線Ｌ２はパルス電流Ｊ２のシミュレーション結果に対応している。また、特性曲線ＬＯＳはパルス電流（オーバーシュート電流）ＪＯＳのシミュレーション結果に対応している。
【００６２】
図７（ｂ）に示すように、パルス電流ＪＯＳのように、電流値の立ち上がり時に、電流密度（電流値）が２．０ＭＡ／ｃｍ２までオーバーシュートしたパルス形状を用いることで、電流密度（電流値）が２．０ＭＡ／ｃｍ２の矩形状のパルス電流Ｊ２とほぼ同様の反転特性を実現できることが、実証されている。
【００６３】
つまり、電流値の立ち上がりから所定の時間までの間に、大きな電流を磁気抵抗効果素子に与えることで、所定の時間経過後に電流値を小さくしても、スピン注入磁化反転を実現できることを示している。これは、スピン注入磁化反転方式を用いて磁気抵抗効果素子にデータを書き込む場合に、書き込み電流の実効値を低減できることを意味する。  
この理由について、図８及び図９を用いて説明する。  
図８は、スピン注入磁化反転における磁気抵抗効果素子の磁化Ｍｚの時間依存性を示している。図８に示される磁化Ｍｚは、磁気抵抗効果素子における磁性層の積層方向（Ｚ方向）の磁化成分を示している。
【００６４】
図８においては、磁気抵抗効果素子の磁化Ｍｚが、１（Ｐ状態）から−１（ＡＰ状態）に変化する過程が示されている。図８に示されるように、スピン注入による磁気抵抗効果素子の磁化反転は、その磁化の反転を特徴づける時間（期間）が２種類存在することがわかる。
【００６５】
まず、磁気抵抗効果素子の磁化Ｍｚが、１から０．９５まで変化する期間Ｔ１、即ち、書き込み電流Ｉｗが磁気抵抗効果素子に注入されてから、磁気抵抗効果素子（磁気自由層）の磁化の反転が開始する時間ｔａまでの期間である。  
次に、磁化Ｍｚが０．９５から−０．９５まで変化する期間Ｔ２、即ち、書き込み電流Ｉｗによって、磁気抵抗効果素子（磁気自由層）の磁化の反転が開始した時間ｔａから磁化の反転が実質的に終了するまでの時間ｔｂまでの期間（Ｔ２＝ｔｂ−ｔａ）である。  
このように、磁気抵抗効果素子のスピン注入磁化反転に必要な反転時間（期間）は、Ｔ１＋Ｔ２により定義できる。  
図９は、磁気抵抗効果素子内の２つの磁性層の定常状態を平行状態（Ｐ状態）から反平行状態（ＡＰ状態）にする場合における、２つの期間Ｔ１，Ｔ２の電流値（電流密度）に対する依存性を示している。
【００６６】
図９に示されるように、期間Ｔ１と期間Ｔ２とでは、印加された書き込み電流値（電流密度）に対する依存性が明らかに異なっており、期間Ｔ１は、期間Ｔ２に比較して、電流値に対して急峻に変化している。  
このように、期間Ｔ１の電流に対する依存性は、期間Ｔ２の電流に対する依存性よりも大きい。つまり、磁化Ｍｚが１から０．９５まで変化する期間Ｔ１に与えられる電流（電流値）が、磁気抵抗効果素子の磁化反転特性（書き込み動作）に実効的に寄与し、その期間Ｔ１内に、大きい電流値を磁気抵抗効果素子に与えておけば、期間Ｔ１以降に与える電流値を小さくしても、磁気抵抗効果素子の磁化の反転特性は劣化しないことを示している。  
それゆえ、本実施形態のように、オーバーシュート電流を書き込み電流に用いることで、実効的な書き込み電流の値を低減できる。
【００６７】
また、図９に示す検証結果において、書き込み電流Ｉｗの注入開始時から所定の時間ｔａまでの期間Ｔ１内に、大きい電流値を磁気抵抗効果素子に与えることで、期間Ｔ１が、期間Ｔ２と比較して大幅に短くなることが示されている。一方で、期間Ｔ２において、大きい電流値を磁気抵抗効果素子に与えても、期間Ｔ２は大きく変化しないことが示されている。
【００６８】
それゆえ、本実施形態のように、オーバーシュート電流を用いることによって、磁化方向の反転開始の初動時（期間Ｔ１内）に大きい電流密度（電流値）を磁気抵抗効果素子に与えることで、期間Ｔ１を短くできる、この結果として、磁気抵抗効果素子の磁化方向の反転時間（データの書き込み時間）を短縮できる。
【００６９】
図１０は、磁気抵抗効果素子の磁化方向の反転期間（Ｔ１＋Ｔ２）内に与える書き込み電流の電流密度（電流値）の大きさに対する反転期間（Ｔ１＋Ｔ２）の依存性を示している。尚、図１０においては、反転期間（Ｔ１＋Ｔ２）は、電流密度（電流値）Ｊとそれより大きい電流密度Ｊｏｓとの比率Ｊｏｓ／Ｊに対して正規化された値で示されている。図１０においては、横軸は電流密度の比率Ｊｏｓ／Ｊに対応し、縦軸は正規化された反転時間の値に対応している。
【００７０】
図１０に示されるように、比率Ｊｏｓ／Ｊが１．２程度になると、その場合の反転時間は、比率Ｊｏｓ／Ｊが１の場合よりも２０％程度低減する。さらに、比率Ｊｏｓ／Ｊが１．８程度になると、その場合の反転時間は、比率Ｊｏｓ／Ｊが１の場合よりも５０％程度低減する。このように、磁気抵抗効果素子の磁化方向の反転に要する時間を短縮できるので、磁気抵抗効果素子に対するデータの書き込みの高速化が実現できる。
【００７１】
また、磁気抵抗効果素子の磁化方向が変化（反転）する時間Ｔ１＋Ｔ２以降において、電流値の依存性は小さいので、電流値を小さくしてもよい。それゆえ、書き込み電流の実効値を低減できる。
【００７２】
尚、図１０に示される結果に基づいて、電流密度Ｊｏｓがオーバーシュート電流の第１の期間Ｗ１に与えられる電流値（第２の電流値）に対応し、電流密度Ｊがオーバーシュート電流の第２の期間Ｗ２に与えられる電流値（第１の電流値）に対応している場合、電流密度（電流値）の比率Ｊｏｓ／Ｊが、１．２以上、１．８以下に設定されていれば、反転時間の短縮と書き込み電流（実効値）の低減を両立するのに、より好ましい。比率Ｊｏｓ／Ｊの上限が１．８に設定されるのは、電流密度（電流値）の比率Ｊｏｓ／Ｊが１．８より大きくなる場合、磁化方向の反転時間はある値に収束する傾向を示すことと、書き込み動作が不安定になるのを抑制するためである。
【００７３】
以上のように、書き込み電流の注入開始時に、大きな電流値を磁気抵抗効果素子に与えて、実質的な反転開始時間である時間ｔａを短縮でき、その一方で、時間ｔａ経過後に電流値を小さくしても、磁化の反転に要する時間が増大することはない。
【００７４】
それゆえ、本実施形態のように、オーバーシュート電流を用いることで、期間Ｔ１を短くでき、磁気抵抗効果素子の磁化方向の反転に要する実質的な時間Ｔ１＋Ｔ２を短くできる。
【００７５】
この場合、電流値がオーバーシュートを終える時間ｔｏｓと磁化Ｍｚが０．９５となる時間ｔａが同じになる、つまり、電流値がオーバーシュートしている期間Ｗ１が、磁化Ｍｚが１から０．９５になる期間Ｔ１と実質的に同じなることが、動作の高速化のためには好ましい。但し、複数の磁気抵抗効果素子から構成される磁気ランダムアクセスメモリにおいては、素子特性のばらつきに起因する動作マージンを確保するため、パルス幅ＷＰ内のオーバーシュートしている期間Ｗ１が、磁化Ｍｚが０から０．９５になる期間Ｔ１以上の長さになるように、書き込み電流Ｉｗのパルス形状が設定されることがより好ましい。また、データの書き込み不良を防止するため、オーバーシュートを終えて電流値ｉ１から立ち下がりが終了するまでの期間Ｗ２は、期間Ｔ２より長いことが好ましい。
【００７６】
以上のように、本実施形態によれば、オーバーシュートしたパルス形状を有する書き込み電流を磁気抵抗効果素子に流して、データを書き込みことで、実効的な書き込み電流を低減でき、それと共に、書き込み時間を短縮できる。
【００７７】
尚、本実施例では、図５及び図６に示す例のように、オーバーシュートした部分が一定の電流値を示すパルス電流を用いて、本発明の実施形態について検証した。しかし、図３に示すパルス形状のオーバーシュート電流を書き込み電流に用いた場合においても、磁気抵抗効果素子の書き込み電流値の実効的な電流値の低減及び書き込み時間の短縮が図れることは、シミュレーションにより確認されている。
【００７８】
（３）  適用例  
以下、本発明の実施形態の適用例について説明する。  
本発明の実施形態は、例えば、磁気抵抗効果素子の一端から他端、又は、他端から一端に、書き込み電流を流す書き込み回路を備え、書き込み電流により第１の磁性層の磁化方向と第２の磁性層の磁化方向との関係を変化させるスピン注入磁気ランダムアクセスメモリに用いられる。
【００７９】
図１１は、スピン注入磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）のメモリセルアレイを示し、図１２は、メモリセルアレイを構成するメモリセルを示している。図１１及び図１２において、同じ要素には、同じ符号を付してある。
【００８０】
はじめに、メモリセルアレイを構成しているメモリセルの構造について説明する。図１２に示すように、磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ素子）１の上端は、上部電極３１を介して上部ビット線３２に接続される。また、磁気抵抗効果素子１の下端は、下部電極３３、引き出し電極３４及びプラグ３５を介して、選択トランジスタＳＴのドレイン拡散層３７ａに接続される。
【００８１】
選択トランジスタＳＴのソース拡散層３７ｂは、プラグ４１を介して下部ビット線４２に接続される。
【００８２】
ドレイン拡散層３７ａ及びソース拡散層３７ｂ間の半導体基板（チャネル領域）３６上には、ゲート絶縁膜３８を介してゲート電極（ワード線）３９が形成される。
【００８３】
尚、下部電極３３及び引き出し電極３４の少なくとも１つを省略してもよい。例えば、下部電極３３を省略する場合には、磁気抵抗効果素子１は、引き出し電極３４上に形成される。また、引き出し電極３４を省略する場合には、下部電極３３は、プラグ３５上に形成される。さらに、下部電極３３及び引き出し電極３４を省略する場合には、磁気抵抗効果素子１は、プラグ３５上に形成される。
【００８４】
図１１に示すように、図１２に示す構造のメモリセルＭＣが、メモリセルアレイ内に、例えば、アレイ状に配置される。
【００８５】
ワード線３９は、Ｘ方向に延び、メモリセルＭＣを構成する選択トランジスタＳＴのゲート電極に接続される。ワード線３９の一端は、ロウデコーダ５１に接続される。ロウデコーダ５１は、ワード線３９に対する選択動作を行う。
【００８６】
ビット線３２の一端は、トランジスタなどのスイッチ回路５４を介して書き込み回路５５に接続される。書き込み回路５５は、書き込み電流を生成するための書き込み電流発生回路（書き込みソース）２と、書き込み電流を吸収するためのシンク回路（図示せず）とを備える。
【００８７】
同様に、ビット線４２の一端は、トランジスタなどのスイッチ回路５６を介して書き込み回路５７に接続される。書き込み回路５７は、書き込み電流を生成するための書き込み電流発生回路（書き込みソース）２と、書き込み電流を吸収するためのシンク回路（図示せず）とを備える。
【００８８】
書き込み回路５５，５７内の書き込み電流発生回路２には、例えば、図４に示した回路２が用いられる。
【００８９】
また、ビット線４２の他端は、読み出し回路５２に接続される。読み出し回路５２は、読み出し電流を発生する定電流源や、センスアンプなどを含んでいる。
【００９０】
書き込み時には、書き込み対象となる選択されたメモリセルＭＣに接続されるスイッチ回路５４，５６がオンになり、その他のスイッチ回路がオフになる。また、選択されたメモリセルＭＣ内の選択トランジスタＳＴがオンになる。
【００９１】
そして、書き込みデータに応じた向きの書き込み電流を選択されたメモリセルＭＣに供給する。例えば、“１”書き込みのときは、書き込み回路（ソース側）５５から書き込み回路（シンク側）５７に向かって書き込み電流Ｉｗを流し、“０”書き込みのときは、書き込み回路（ソース側）５７から書き込み回路（シンク側）５５に向かって書き込み電流Ｉｗを流す。  
本例においては、オーバーシュートしたパルス形状を有する書き込み電流Ｉｗが、選択されたメモリセルＭＣ内の磁気抵抗効果素子１に流される。その書き込み電流Ｉｗのパルス形状の一例としては、例えば、図５に示されるように、パルス幅ＷＰの第１の期間Ｗ１において第１の電流値ｉ１より大きい第２の電流値ｉ２が一定に出力され、パルス幅ＷＰの第２の期間Ｗ２において第１の電流値ｉ１が一定に出力される。
【００９２】
尚、書き込み電流としてのオーバーシュート電流Ｉｗは、例えば、数ナノ秒から数マイクロ秒までの範囲内のパルス幅ＷＰを有する電流とする。
【００９３】
上記のように、磁気ランダムアクセスメモリは、複数の磁気抵抗効果素子１を含んでいる。それらの磁気抵抗効果素子毎の特性のばらつきが存在し、例えば、１つのメモリセルアレイに対して反転しきい値電流のばらつきが生じる。  
つまり、反転しきい値電流が小さい磁気抵抗効果素子と反転しきい値電流が大きい磁気抵抗効果素子とが、メモリセルアレイ内に存在し、ある磁気抵抗効果素子は、電流値ｉ１で磁化方向が変化しても、それとは別の磁気抵抗効果素子は、電流値ｉ１では磁化方向が変化しない場合がある。
【００９４】
本例のように、図５に示すようなオーバーシュートした形状の書き込み電流Ｉｗを用いることによって、反転しきい値電流が大きい磁気抵抗効果素子の存在を考慮して、電流値ｉ１より大きい電流値ｉ２の値及びその電流値ｉ２を与える期間Ｗ１を設定することで、素子特性のばらつきに起因したデータの書き込み不良も抑制できる。例えば、電流値ｉ２は、メモリセルアレイ内に存在する反転しきい値電流の分布の中で、最大値の反転しきい値電流に対応するように、設定されることが好ましい。また、電流値ｉ１は、例えば、反転しきい値電流の分布の中で、最小値の反転しきい値電流に対応するように、設定されることが好ましい。また、図５に示すオーバーシュート電流のように、電流値がオーバーシュートしている期間Ｗ１において、一定した電流値が磁気抵抗効果素子に与えられることで、書き込み動作の安定化を図ることもできる。また、パルス幅ＷＰ内の期間Ｗ２においても、動作の安定化のため、一定した電流値ｉ１が磁気抵抗効果素子に与えられていることが好ましい。
【００９５】
データの読み出し時には、読み出し対象となる選択されたメモリセルＭＣに接続されるスイッチ回路５４がオンになり、その他のスイッチ回路がオフになる。また、選択されたメモリセルＭＣ内の選択トランジスタＴｒがオンになる。
【００９６】
そして、読み出し電流を選択されたメモリセルＭＣに供給する。読み出し電流Ｉｒは、図１３に示しように、書き込み電流Ｉｗとは異なって、矩形状のパルス電流が用いられる。読み出し電流Ｉｒは、読み出し電流Ｉｒによって磁化反転（スイッチング）が生じないように、書き込み電流Ｉｗよりも十分に小さな値とする。また、読み出し電流のパルス幅ＷＰ’は、書き込み電流のパルス幅ＷＰよりも短いことが好ましい。
【００９７】
以上のように、本実施形態の適用例としての磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、データの書き込みのための書き込み電流として、例えば、図５に示すパルス形状のオーバーシュート電流が用いられる。  
これによれば、本適用例としての磁気ランダムアクセスメモリは、実効的な書き込み電流の低減でき、且つ、データの書き込み時間を短縮できる。
【００９８】
［むすび］  
本発明によれば、実効的な書き込み電流の低減及び書き込み時間の短縮が可能なスピン注入磁化反転技術を実現できる。
【００９９】
本発明の例は、磁気ランダムアクセスメモリへの適用例について説明したが、それ以外にも、ＴＭＲ効果を利用するメモリ全般に適用できる。
【０１００】
本発明の例は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】磁気抵抗効果素子の構造の一例を示す図。
【図２】磁気抵抗効果素子の構造の一例を示す図。
【図３】本発明の実施形態に用いる書き込み電流の波形例を示す図。
【図４】書き込み電流発生回路の回路構成の一例を示す等価回路図。
【図５】本発明の実施形態に用いる書き込み電流の波形例を示す図。
【図６】図４に示す回路の動作の一例を説明するためのタイミングチャート。
【図７】本発明の実施形態の検証結果を説明するための図。
【図８】本発明の実施形態の検証結果を説明するための図。
【図９】本発明の実施形態の検証結果を説明するための図。
【図１０】本発明の実施形態の検証結果を説明するための図。
【図１１】スピン注入型磁気ランダムアクセスメモリを示す図。
【図１２】磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルを示す図。
【図１３】磁気ランダムアクセスメモリに用いる読み出し電流の波形例を示す図。
【符号の説明】
【０１０２】
１：磁気抵抗効果素子、１０Ａ，１０Ｂ：第１の磁性層、１２Ａ，１２Ｂ：トンネルバリア層、１４Ａ，１４Ｂ：第２の磁性層、２：書き込み電流発生回路、２１，２２：定電流源、Ｉｗ：書き込み電流。
【図１】
2010079986.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年10月28日(2008.10.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
磁化方向が不変な第１の磁性層と、磁化方向が可変な第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の間に設けられたトンネルバリア層とを有する磁気抵抗効果素子のデータの書き込み方法であって、
パルス形状の書き込み電流を前記磁気抵抗効果素子に流して、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向との関係を変化させる、ことを具備し、
前記書き込み電流のパルス幅は、その電流の立ち上がりの開始から第１の時間までの第１の期間と、前記第１の期間に続く第２の期間とを含み、
前記書き込み電流は、前記第２の期間内に出力される第１の電流値と、前記第１の期間内に出力され前記第１の電流値より大きい第２の電流値とを含んでいる、
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子のデータ書き込み方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６】
磁化方向が不変な第１の磁性層と、磁化方向が可変な第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の間に設けられたトンネルバリア層とを有する磁気抵抗効果素子をそれぞれ備える複数のメモリセルと、
前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向との関係を変化させるパルス形状の書き込み電流を生成する書き込み電流発生回路を備え、前記書き込み電流を前記磁気抵抗効果素子の一端から他端、又は、他端から一端に流す書き込み回路と、
を具備し、
前記書き込み電流のパルス幅は、その電流の立ち上がりの開始から第１の時間までの第１の期間と前記第１の期間に続く第２の期間とを含み、
前記書き込み回路は、前記書き込み電流として、前記第２の期間内に出力される第１の電流値と、前記第１の期間内に出力され前記第１の電流値より大きい第２の電流値とを含む電流を、前記磁気抵抗効果素子に流す、
ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項９】
選択されたメモリセルが備える磁気抵抗効果素子からデータを読み出すための読み出し電流を生成する読み出し回路を、さらに具備し、
前記読み出し電流は、前記第１の電流値よりも小さい電流値を有するパルス形状の電流である、
ことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明の例に係る磁気抵抗効果素子のデータ書き込み方法は、磁化方向が不変な第１の磁性層と、磁化方向が可変な第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の間に設けられたトンネルバリア層とを有する磁気抵抗効果素子のデータの書き込み方法であって、パルス形状の書き込み電流を前記磁気抵抗効果素子に流して、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向との関係を変化させる、ことを具備し、前記書き込み電流のパルス幅は、その電流の立ち上がりの開始から第１の時間までの第１の期間と、前記第１の期間に続く第２の期間とを含み、前記書き込み電流は、前記第２の期間内に出力される第１の電流値と、前記第１の期間内に出力され前記第１の電流値より大きい第２の電流値とを含んでいる、ことを備える。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明の例に係る磁気ランダムアクセスメモリは、磁化方向が不変な第１の磁性層と、磁化方向が可変な第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の間に設けられたトンネルバリア層とを有する磁気抵抗効果素子をそれぞれ備える複数のメモリセルと、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向との関係を変化させるパルス形状の書き込み電流を生成する書き込み電流発生回路を備え、前記書き込み電流を前記磁気抵抗効果素子の一端から他端、又は、他端から一端に流す書き込み回路と、を具備し、前記書き込み電流のパルス幅は、その電流の立ち上がりの開始から第１の時間までの第１の期間と前記第１の期間に続く第２の期間とを含み、前記書き込み回路は、前記書き込み電流として、前記第２の期間内に出力される第１の電流値と、前記第１の期間内に出力され前記第１の電流値より大きい第２の電流値とを含む電流を、前記磁気抵抗効果素子に流す、ことを備える。